林偉強(qiáng)

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津300392；2.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點實驗室，天津300392)

噴灌技術(shù)是指將灌溉用水通過噴灌泵站系統(tǒng)加壓，形成具有一定壓力的水流，通過噴頭噴射到近地空中形成細(xì)小的液滴，均勻噴灑到土壤表面，為景觀植物的生長提供必要的水分。隨著景觀審美要求的不斷提高，在校園景觀的設(shè)計中綠地往往占有較大比例，景觀綠地的澆灌任務(wù)對于綠地正常發(fā)揮景觀功能十分重要。噴灌技術(shù)作為現(xiàn)代節(jié)水高效的灌溉方式，受到廣泛應(yīng)用。合理的噴灌系統(tǒng)設(shè)計不但能夠滿足澆灌區(qū)域的澆灌需求，而且能達(dá)到節(jié)約用水、節(jié)省動力費用的目的。

1 綠地噴灌系統(tǒng)設(shè)計

本噴灌系統(tǒng)設(shè)計區(qū)域位于天津市某大學(xué)校門入口處中心軸景觀帶內(nèi)，噴灌系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括確定合理的設(shè)計參數(shù)、正確選擇噴頭、對噴頭噴點進(jìn)行合理布置、對噴灌管網(wǎng)進(jìn)行布置和水力計算、對噴灌加壓水泵進(jìn)行選型等。

1.1 灌區(qū)允許噴灌強(qiáng)度

噴灌強(qiáng)度指單位時間噴灑在單位面積上的水量，該指標(biāo)與土壤透水性相適應(yīng)，噴灌強(qiáng)度不應(yīng)超過土壤滲吸速度。該灌區(qū)土質(zhì)為壤土，依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》[1](GB/T 50085—2007)，壤土的允許噴灌強(qiáng)度為12 mm/h，取本灌區(qū)允許噴灌強(qiáng)度ρ為8 mm/h。

1.2 灌區(qū)最大灌水定額

最大灌水定額應(yīng)根據(jù)灌區(qū)需水高峰期的需水量確定，按照最不利條件設(shè)計，使噴灌系統(tǒng)在需水高峰期具有足夠的供水能力。根據(jù)式(1)計算最大灌水定額：

mS=0.1γh(β1-β2)

(1)

式中mS為最大灌水定額，mm；h為計劃濕潤層深度，cm；β1為適宜土壤含水量上限(體積百分比)，%；β2為適宜土壤含水量下限(體積百分比)，%；γ為土壤容重，g/cm3。

取土壤容重γ=1.45 g/cm3，計劃濕潤深度h=30 cm，β1=24%，β2=17%。經(jīng)計算，m=30.45 mm，取灌水定額為30 mm。

1.3 灌區(qū)設(shè)計灌水周期

設(shè)計灌水周期是指在設(shè)計灌水定額和設(shè)計日耗水量條件下，滿足作物生長需要，2次灌水之間的最長間隔。缺少資料時，灌水周期T可根據(jù)代表年按照水量平衡原理確定：

T=m/ET

(2)

式中T為設(shè)計灌水周期，d；m為設(shè)計灌水定額，mm；ET為作物日蒸發(fā)蒸騰量，mm。

經(jīng)計算，灌水周期T=6 d，結(jié)果可作為天津地區(qū)綠化高峰月份用水依據(jù)。澆灌計劃并非一成不變，應(yīng)根據(jù)氣溫、風(fēng)力、降水等天氣情況進(jìn)行調(diào)整。

1.4 噴頭的選型與布置

噴頭的選型與布置直接影響噴灌系統(tǒng)的正常工作和澆灌效果的發(fā)揮，如噴灌強(qiáng)度、噴灌均勻度等。合理的噴頭選型與布置既能滿足景觀植物生長的水量需求，又能突出噴灌的優(yōu)勢，節(jié)省水源、投資成本和后期運行維護(hù)費用。

本項目為園林景觀灌溉項目，灌區(qū)內(nèi)大部分面積為草坪，宜采用地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭。這種噴頭暴露于地面之上的部分較少，不會對園林景觀造成破壞。同時，該噴頭的射程和覆蓋角度等參數(shù)易調(diào)節(jié)，以適用于大小不規(guī)則的地塊，噴灑效果好。

本項目灌區(qū)為校門入口處景觀帶，整個灌區(qū)被中央景觀道路及特色水景大致分隔成為4個子灌區(qū)，通過分析可知，灌區(qū)所需要的射程約為8～10 m。通過比較各廠家噴頭的性能，決定采用5500-PC系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭，其主要參數(shù)見表1。

表1 5500-PC系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the 5500-PC series buried rotary nozzle

噴頭布置的合理性直接關(guān)系到噴灌系統(tǒng)的均勻度和噴頭的個數(shù)，影響噴灌效果和工程投資。噴頭的布置形式通常有三角形和矩形兩種。三角形布置在中心區(qū)域存在水量重疊，可以提高噴灌均勻度，節(jié)省水源。矩形布置有利于增強(qiáng)噴灌系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。

圖1 中心軸景觀帶自動噴灌系統(tǒng)Fig.1 Automatic sprinkling irrigation system for central axis landscape belt

如圖1所示，本項目灌區(qū)分為內(nèi)外2個部分，以中央大型水景為分界，靠近外部的2個子灌區(qū)由于緊鄰校門容易受風(fēng)力影響，噴灑水形容易受到破壞，因此采用矩形布置。考慮到天津噴灌季節(jié)的平均風(fēng)速，將噴頭間距設(shè)置為(1.1～1.3)R，噴頭間距約為11～13 m，噴灌面積約為31 500 m2，共布置噴頭174個。另外，在校門兩側(cè)布置了人工取水閥，方便人工取水澆灌?？拷鼉?nèi)側(cè)的2個子灌區(qū)采用三角形布置，噴頭間距設(shè)置約為(1.1～1.3)R，噴頭間距約為11～13 m，共布置噴頭99個。

1.5 噴灌強(qiáng)度的驗算

噴灌強(qiáng)度指單位時間內(nèi)噴灑到地面上的水深，5500-PC型噴頭的流量q為1.23 m3/h，控制面積A約為200 m2。則實際噴灌強(qiáng)度ρ=1 000q/A=6.15 mm/h，小于該灌區(qū)允許的噴灌強(qiáng)度8 mm/h，滿足要求。

1.6 噴灌管道的水力計算

1.6.1水頭損失計算

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，噴灌管網(wǎng)管材多選用硬聚氯乙烯(PVC)管，支管管徑多選用DN50(公稱直徑50 mm、外徑63 mm)。根據(jù)同時工作噴頭數(shù)量確定噴灌流量約為106 m3/h，按照經(jīng)濟(jì)流速選取干管管徑為DN150。

選取管網(wǎng)典型支管進(jìn)行支管水頭損失計算，根據(jù)《噴灌工程設(shè)計手冊》，計算沿程損失：

hfz=S0Q1.77L

(3)

hfz′=F×hfz

(4)

選取的典型支管管長L=50 m，連接噴頭約10個，支管流量為24.61 m3/h。查表得到S0=2 188，多口系數(shù)F=0.395。計算得到典型支管沿程損失hfz′=0.88m，局部損失hjz按沿程損失的10%計，支管總水頭損失hz=0.97 m。

由于灌區(qū)內(nèi)管網(wǎng)為對稱布置，選擇其中一側(cè)干管進(jìn)行計算，按照最遠(yuǎn)端噴灌區(qū)工作的最不利情況計算，干管沿程損失：

(5)

查手冊得到f=0.948105，m=1.77，b=4.77。計算得到干管沿程損失hfg=2.94m，局部損失hjg按沿程損失的10%計，干管總水頭損失hg=3.24 m。因此，總水頭損失h總=hz+hg=4.21 m。

1.6.2系統(tǒng)揚程計算與水泵選取

根據(jù)水力計算結(jié)果計算所需流量、揚程并進(jìn)行水泵選型時，需要以距離水源最遠(yuǎn)處子灌區(qū)噴頭運行時的工況為依據(jù)。根據(jù)式(6)計算系統(tǒng)揚程：

H系=Hp+H豎+hz+hg+h泵

(6)

式中Hp為典型噴點的噴頭工作壓力水頭，取25 m；H豎為噴點的豎管高度，取0.5 m；hz為支管的水頭損失，取0.97 m；hg為干管的水頭損失，取3.24 m；h泵為水泵進(jìn)出水管口的水頭損失，取1 m。

計算得到H系=30.71 m，根據(jù)流量和揚程，參照各水泵廠家的性能參數(shù)，推薦采用變頻調(diào)速單級離心清水泵。

2 EPANET在噴灌管網(wǎng)設(shè)計中的應(yīng)用

EPANET軟件被廣泛應(yīng)用于城市供水管網(wǎng)的分析計算，由于綠化噴灌管網(wǎng)與供水管網(wǎng)具有相似性，因此可將供水枝狀管網(wǎng)的分析計算方法引入綠化噴灌管網(wǎng)的水力計算中。

2.1 EPANET對綠化噴灌管網(wǎng)的水力計算方法

將綠化管網(wǎng)的CAD圖形導(dǎo)入EPANET中，同時需要定義各節(jié)點的屬性和各管段的管徑、管長信息。由于EPANET的節(jié)點屬性中沒有專門的噴頭屬性可以定義使用，但其中的擴(kuò)散器組件可用于噴頭水力特性的模擬分析[2]。擴(kuò)散器是EPANET中的一種節(jié)點屬性，通過控制模擬流量排向大氣，通過擴(kuò)散器的流量是節(jié)點壓強(qiáng)的函數(shù)。

q=Cpr

(7)

式中q為噴嘴流量，L/s；C為擴(kuò)散系數(shù)；p為工作壓力，m；r為壓強(qiáng)系數(shù)。

由于擴(kuò)散系數(shù)C未知，需根據(jù)噴頭的正常工作流量和工作壓力進(jìn)行推算，壓強(qiáng)系數(shù)r取0.5，根據(jù)所選噴頭的特性，q取0.4 L/s，p取25 mH2O，計算得到C約為0.08。

2.2 算例分析

以圖2所示部分綠化自動噴灌系統(tǒng)為例，噴頭根據(jù)景觀公園綠地的澆灌要求布置，選用5500系列地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭，總作用面積約為10 000 m2，作用面積內(nèi)共設(shè)置45個噴頭。

圖2 局部綠化自動噴灌系統(tǒng)Fig.2 Automatic sprinkling irrigation system for local greening

2.2.1計算方法

根據(jù)整體綠化噴灌管線系統(tǒng)在EPANET中進(jìn)行建模。水力計算選用海澄-威廉公式，管道粗糙度C=150。根據(jù)各噴頭的位置確定各節(jié)點的標(biāo)高，輸入各節(jié)管道的管徑和長度(將管件折算為當(dāng)量管長)，將噴頭節(jié)點定義為擴(kuò)散器，賦值擴(kuò)散系數(shù)。

對于有壓管網(wǎng)的模擬，EPANET軟件采用正向計算的方式，即按照給定的入口壓力計算系統(tǒng)內(nèi)各點的工作壓力和流量。與由最不利點壓力反算入口水壓的方式不同，本算例模擬計算中以計算的揚程為基礎(chǔ)，根據(jù)最不利點滿足25 mH2O工作壓力為條件，對系統(tǒng)入口壓力進(jìn)行試算，得出滿足條件的最佳工況。

2.2.2計算與校核

用EPANET對算例進(jìn)行模擬計算，同時按照水力計算公式進(jìn)行手工計算對比。模擬計算結(jié)果表明，當(dāng)遠(yuǎn)端最不利點設(shè)計水頭為25 mH2O時，軟件計算的入口壓力為34.2 mH2O，系統(tǒng)總水量為19.54 L/s，作用面積內(nèi)的平均噴灌強(qiáng)度為7 mm/h，滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085—2007)的要求，基本可以達(dá)到噴灌效果。此外，將部分手工計算結(jié)果與模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比，見表2。

表2 計算結(jié)果對比 Tab.2 Comparison of calculation results

2.2.3結(jié)果與分析

為了評價EPANET用于噴灌系統(tǒng)計算的結(jié)果準(zhǔn)確性，分別采用手工計算與EPANET模擬計算，對該噴灌管網(wǎng)進(jìn)行水力計算。EPANET模擬計算結(jié)果表明，保持噴灌系統(tǒng)最不利點水頭為25 mH2O的情況下，系統(tǒng)入口處的壓力為31.63 mH2O，略高于手工計算結(jié)果，各噴灌作用點的流量和壓力有一定偏差但基本保持一致。EPANET模擬計算采用的海澄-威廉公式的水力損失計算值與手工計算采用的舍維列夫公式計算值相比略偏大，保持最不利點工況和誤差累計下造成系統(tǒng)入口壓力略高。

3 結(jié)論

① 對于綠化噴灌的枝狀管網(wǎng)的水力計算，采用EPANET擴(kuò)散器組件可以較好地實現(xiàn)對噴灌噴頭的模擬。

② EPANET模擬計算采用的海澄-威廉公式的水力損失計算值與手工計算采用的舍維列夫公式計算值相比有一定的差異，但差異很小，采用EPANET模擬計算結(jié)果偏于安全。